CN103715324A - 一种新型结构的发光二极管及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种新型结构的发光二极管，包括透明基板、外延片、第一电极和第二电极，所述外延片依次包括n型欧姆层、n型粗化层、n型限制层、有源层、p型限制层、p型粗化层、p型欧姆层，所述n型欧姆层端面的面积小于n型粗化层端面的面积，所述p型欧姆层端面的面积小于p型粗化层端面的面积，外延片靠p型粗化层和p型欧姆层的一侧通过透明导电胶层粘接在透明基板上，第一电极连接在n型欧姆层上，第二电极连接在透明导电胶层上，所述n型粗化层和p型粗化层的外表面经腐蚀液蚀刻成凹凸状；所述p型欧姆层的外端面还镀有合金层；本发明还公开上述发光二极管的制造方法；本发明有效降低发光二极管内部全反射造成出射光的损耗，提高了出光效率。
Description
技术领域
本发明涉及发光二极管的结构及其制造方法。
背景技术
在LED芯片制造技术领域，外量子效率是高亮度LED芯片的主要技术瓶颈，发光二极管的外量子效率取决于本身的内量子效率以及释放效率，所谓内量子效率，是由发光二极管的材料性质所决定的；释放效率，意味着从发光二极管内部发出光至周围空气的比例。释放效率取决于当光离开二极管内部时所发生的损耗，造成损耗的主要原因之一是由于形成发光二极管组件表面层的半导体材料具有高折射系数，高的光折射系数会导致光在该材料表面产生全反射，而使发光二极管内部发出的光无法发射出去。在AlGaInP-GaAs材料的体系中，所有材料的折射率在3-3.5的范围内，根据全反射理论，DA Wanderwater等人发表于[Proceedings of the IEEE,volume.85, Nov.1997]的文献，名称为“High-brightness AlGaInP light emitting diodes”，揭示出传统LED的出光效率仅为4%。因此传统的发光二极管外量子效率低，亮度就低。
为了克服上述出光效率低的缺点，美国专利US.Pat.No.5040044揭示出一种表面粗化后加保护膜技术，其内容是粗化层为AlAs层，粗化后表面生长一层SiNx薄膜，其原理是粗化后的表面降低了内部光的全反射效应。但AlAs层极易被氧化，需要在AlAs层表面生长一层SiNx薄膜。虽然该技术可以提高LED芯片的外量子效率，但是还存在以下问题，一是只能单面粗化，LED芯片的外量子效率提高有限，二是需要生长一层SiNx保护膜，会增加工艺的复杂程度，提高了制造成本。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种新型结构的发光二极管，其有效降低发光二极管内部全反射造成出射光的损耗，提高出光效率，较大幅度提高发光二极管的亮度。
为达到上述目的，本发明的技术方案是：一种新型结构的发光二极管，包括透明基板、外延片、第一电极和第二电极，所述外延片依次包括n型欧姆层、n型粗化层、n型限制层、有源层、p型限制层、p型粗化层、p型欧姆层，所述n型欧姆层端面的面积小于n型粗化层端面的面积，所述p型欧姆层端面的面积小于p型粗化层端面的面积，外延片靠p型粗化层和p型欧姆层的一侧通过透明导电胶层粘接在透明基板上，第一电极连接在n型欧姆层上，第二电极连接在透明导电胶层上，所述n型粗化层和p型粗化层的外表面经腐蚀液蚀刻成凹凸状。
优选所述透明基板为石英基板或有机玻璃基板。
优选所述n型欧姆层为GaAs构成，所述n型粗化层为(AlxGa1-x)0.5InP构成，所述n 型限制层为掺硅Si的AlInP构成，所述有源层为AlGaInP构成，所述p型限制层为掺碳C的AlInP构成，所述p型粗化层为GaP构成，所述p型欧姆层为GaInP构成。
进一步改进，所述p型欧姆层的外端面还镀有合金层，所述外延片沿中间蚀刻有隔离道，通过隔离道把外延片分成两部分，第一电极连接在外延片第一部分的n型欧姆层上，第二电极包覆外延片第二部分并与透明导电胶层相连接。可使第一电极和第二电极高度差较小，方便第一电极和第二电极与导线连接或贴装在PCB板上。
本发明的外延片通过透明的导电胶与透明基板相粘接，使得外延片的n型粗化层和p型粗化层都能够被粗化、蚀刻，使得n型粗化层和p型粗化层均能形成有规则的凹凸状表面，即外延片的双面粗化层均能形成有规则的凹凸状表面，这种有规则的凹凸状表面有效降低全反射几率，大大提高出光效率，因此本发明较大幅度提高发光二极管的亮度。经实验，本发明可使LED芯片的出光效率达50%以上，在三基色白光领域上有广阔的应用空间。
本发明要解决的第二问题是提供上述新型结构的发光二极管的制造方法。其包括以下步骤：
步骤一、在一辅助基板上面依次生长过渡层、截止层、n型欧姆层、n型粗化层、n型限制层、有源层、p型限制层、p型粗化层、p型欧姆层，形成完整的外延片；
步骤二、在外延片的p型欧姆层端面的部分位置镀上合金层，然后用腐蚀液去除与合金层没有连接的多余p型欧姆层；
步骤三、用腐蚀液对p型粗化层外侧面进行粗化、蚀刻，使p型粗化层外侧面形成有规则凹凸状表面；
步骤四、将透面导电胶分别涂在透明基板上和外延片的p型粗化层的外侧面、p型欧姆层和合金层的外侧面，然后使外延片粘接在透明基板上；
步骤五、用机械研磨减薄辅助基板，然后用腐蚀液去除余下的辅助基板和过渡层；
步骤六、用腐蚀液去除截止层；
步骤七、在n型欧姆层端面的部分位置镀上合金形成第一电极，然后用腐蚀液去除与第一电极没有连接的多余n型欧姆层；
步骤八、用腐蚀液对n型粗化层外侧面进行粗化、蚀刻，使n型粗化层外侧面形成有规则凹凸状表面；
步骤九、清洗外延片，在外延片的中间通过ICP蚀刻出隔离道，通过隔离道把外延片分成两部分，第一电极留在外延片的第一部分上，然后在外延片的第二部分的外侧面镀上合金形成第二电极并使第二电极连通到透明导电胶上，完成整个器件的制作。
进一步，其中步骤一的辅助基板选用GaAs基板，所述n型欧姆层选用GaAs制作，所述n型粗化层选用(AlxGa1-x)0.5InP制作，所述n 型限制层选用掺硅Si的AlInP制作，所述有源层选用AlGaInP制作，所述p型限制层选用掺碳C的AlInP制作，所述p型粗化层选用GaP制作，所述p型欧姆层选用GaInP制作；
其中的步骤五用腐蚀液去除余下的辅助基板和过渡层的过程是将外延片浸入体积比为3 NH4OH: H2O2的溶液30min，使化学腐蚀停止在截止层上；
其中的步骤六用腐蚀液去除截止层的过程是将去除辅助基板和过渡层后的外延片浸入HCl溶液2min。
进一步，其中的步骤二在p型欧姆层端面的部分位置镀上合金层的过程是先在p型欧姆层端面上涂覆负性光刻胶2～4μm，然后曝光15 s、接着碱性显影液显影60s、高速旋干确定镀合金层的位置，然后利用电子束蒸发设备在p型欧姆层端面的确定位置上蒸镀上合金AuZn和Au形成合金层；用腐蚀液去除与合金层没有连接的多余p型欧姆层的过程是把外延片浸入丙酮溶液10～20min，清洗后浸入HCl溶液1min；
其中步骤七在n型欧姆层端面的部分位置镀上合金形成第一电极的过程是先在n型欧姆层端面上涂覆负性光刻胶2～4μm，然后曝光15 s、接着碱性显影液显影60s、高速旋干确定镀合金位置，然后利用电子束蒸发设备在n型欧姆层端面的确定位置上蒸镀合金AuGe、Ti和Au形成第一电极；用腐蚀液去除与第一电极没有连接的多余n型欧姆层的过程是将外延片浸入体积比2氨水：1双氧水的溶液中去除多余n型欧姆层。
进一步，其中的步骤三用腐蚀液对p型粗化层外侧面进行粗化、蚀刻的过程是把外延片浸入体积比为3HF:2HNO3的腐蚀液进行粗化、蚀刻，粗化、蚀刻的温度为15～30℃，粗化、蚀刻时间为2～5min，使p型粗化层外侧面形成有规则凹凸状表面；
其中步骤八用腐蚀液对n型粗化层外侧面进行粗化、蚀刻的过程是，把外延片浸入体积比为7H3PO4:2H2O2的腐蚀液进行粗化、蚀刻，粗化、蚀刻的温度为30～60℃，粗化、蚀刻的时间为3～6min，使n型粗化层外侧面形成有规则凹凸状表面。
进一步，其中的步骤四外延片与透明基板的粘接过程为先把外延片和透明基板浸入有机溶液超声清洗10min，然后采用旋涂的方式把透明导电胶分别涂覆在外延片和透明基板上，控制转速为2000～6000r/ min，涂胶的厚度为0.2～4μm，然后把涂有透明导电胶的外延片和透明基板放入烤箱在100℃温度下烘烤20～80min，最后使外延片和透明基板在压力为150～350MPa、温度为200～400℃的真空条件下进行粘合。
进一步，其中步骤九清洗外延片的过程是把外延片浸入ACE有机溶液超声清洗10min；在外延片的中间通过ICP蚀刻出隔离道过程是先通过涂光刻胶、曝光、显影、旋干确定蚀刻位置，然后放入ICP中蚀刻出隔离道把外延片分成两部分，第一电极留在外延片的第一部分上；形成第二电极的过程是利用电子束蒸发设备将合金Cr和Au蒸镀在外延片第二部分的外侧面上形成第二电极并使第二电极连通到透明导电胶上。
本发明的制造方法能够确保高效地生产出上述新型结构的发光二极管。
附图说明
图1是本发明发光二极管的结构示意图；
图2是本发明外延片与辅助基板、过渡层和截止层的连接结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施方式对本发明作进一步详细说明。
图1所示，一种新型结构的发光二极管，包括由石英制成的透明基板1、外延片2、第一电极3和第二电极4，所述外延片2依次包括n型欧姆层21、n型粗化层22、n型限制层23、有源层24、p型限制层25、p型粗化层26、p型欧姆层27，所述n型欧姆层21端面的面积小于n型粗化层22端面的面积，所述p型欧姆层27端面的面积小于p型粗化层26端面的面积，所述p型欧姆层27的外端面还镀有合金层271，外延片2靠p型粗化层26和p型欧姆层27的一侧通过透明导电胶层5粘接在透明基板1上；
所述外延片2沿中间蚀刻有隔离道20，通过隔离道20把外延片2分成两部分，第一电极3连接在外延片2的第一部分2a的n型欧姆层21上，第二电极4包覆外延片2的第二部分2b并与透明导电胶层5相连接；
所述n型粗化层22和p型粗化层26的外表面经腐蚀液蚀刻成凹凸状。
所述透明基板1也可用有机玻璃、Al2O3、GaP等透明材料基板。
所述n型欧姆层21为GaAs构成，所述n型粗化层22为(AlxGa1-x)0.5InP构成，所述n 型限制层23为掺硅Si的AlInP构成，所述有源层24为AlGaInP构成，所述p型限制层25为掺碳C的AlInP构成，所述p型粗化层26为GaP构成，所述p型欧姆层27为GaInP构成。
上述新型结构的发光二极管的制造方法如下：其包括以下步骤：
步骤一、用MOCVD（金属有机化学汽相沉积系统）或MBE（分子束外延生长）在一辅助基板10上面依次生长过渡层20、截止层30、n型欧姆层21、n型粗化层22、n型限制层23、有源层24、p型限制层25、p型粗化层26、p型欧姆层27，生长结构如图2所示，形成完整的外延片2，然后清洗烤干；其中辅助基板10选用GaAs基板，所述n型欧姆层21选用GaAs制作，所述n型粗化层22选用(AlxGa1-x)0.5InP制作，所述n 型限制层23选用掺硅Si的AlInP制作，所述有源层24选用AlGaInP制作，所述p型限制层25选用掺碳C的AlInP制作，所述p型粗化层26选用GaP制作，所述p型欧姆层27选用GaInP制作。
步骤二、在外延片2的p型欧姆层27端面的部分位置镀上合金层271，首先在p型欧姆层27端面上涂覆负性光刻胶2～4μm，然后曝光15 s、接着碱性显影液显影60s、高速旋干确定镀合金层的位置，然后利用电子束蒸发设备在p型欧姆层27端面的确定位置上蒸镀上合金AuZn和Au形成合金层271；
接着用腐蚀液去除与合金层271没有连接的多余p型欧姆层，具体过程为把外延片2浸入丙酮溶液10～20min，清洗后浸入HCl溶液1min。
步骤三、用腐蚀液对p型粗化层26外侧面进行粗化、蚀刻，把外延片2浸入体积比为3HF:2HNO3的腐蚀液进行粗化、蚀刻，粗化、蚀刻的温度为15～30℃，粗化、蚀刻时间为2～5min，使p型粗化层26外侧面形成有规则凹凸状表面。
步骤四、将透面导电胶5分别涂在透明基板1上和外延片2的p型粗化层26的外侧面、p型欧姆层27和合金层271的外侧面，然后使外延片2粘接在透明基板1上，所述透明基板1选用石英基板；具体粘接过程为先把外延片2和透明基板1浸入有机溶液超声清洗10min，然后采用旋涂的方式把透明导电胶5分别涂覆在外延片2和透明基板1上，控制转速为2000～6000r/ min，涂胶的厚度为0.2～4μm，然后把涂有透明导电胶5的外延片2和透明基板1放入烤箱在100℃温度下烘烤20～80min，最后使外延片2和透明基板1在压力为150～350MPa、温度为200～400℃的真空条件下进行粘合。
步骤五、用机械研磨减薄辅助基板10，然后用腐蚀液去除余下的辅助基板10和过渡层20；具体过程为将外延片2浸入体积比为3 NH4OH: H2O2的溶液30min，使化学腐蚀停止在截止层30上。
步骤六、用腐蚀液去除截止层30；具体过程是将去除辅助基板和过渡层后的外延片2浸入HCl溶液2min。
步骤七、在n型欧姆层21端面的部分位置镀上合金形成第一电极3，具体过程是先在n型欧姆层21端面上涂覆负性光刻胶2～4μm，然后曝光15 s、接着碱性显影液显影60s、高速旋干确定镀合金位置，然后利用电子束蒸发设备在n型欧姆层21端面的确定位置上蒸镀合金AuGe、Ti和Au形成第一电极3；
然后用腐蚀液去除与第一电极3没有连接的多余n型欧姆层，具体过程是将外延片2浸入体积比2氨水：1双氧水的溶液中去除多余n型欧姆层。
步骤八、用腐蚀液对n型粗化层22外侧面进行粗化、蚀刻，具体过程是把外延片2浸入体积比为7H3PO4:2H2O2的腐蚀液进行粗化、蚀刻，粗化、蚀刻的温度为30～60℃，粗化、蚀刻的时间为3～6min，使n型粗化层22外侧面形成有规则凹凸状表面。
步骤九、清洗外延片2，把外延片2浸入ACE有机溶液超声清洗10min；
在外延片2的中间通过ICP蚀刻出隔离道20，具体过程是先通过涂光刻胶、曝光、显影、旋干确定蚀刻位置，然后放入ICP中蚀刻出隔离道20把外延片2分成两部分，第一电极3留在外延片2的第一部分2a上，然后利用电子束蒸发设备在外延片2的第二部分2b的外侧面上蒸镀上合金Cr和Au形成第二电极4并使第二电极4连通到透明导电胶5上，就完成整个器件的制作。
以上的实施例仅是为了更好说明本发明，本领域的技术人员按权利要求作等同的改变都落入本案的保护范围。
Claims (10)
1.一种新型结构的发光二极管，包括透明基板、外延片、第一电极和第二电极，所述外延片依次包括n型欧姆层、n型粗化层、n型限制层、有源层、p型限制层、p型粗化层、p型欧姆层，其特征在于：所述n型欧姆层端面的面积小于n型粗化层端面的面积，所述p型欧姆层端面的面积小于p型粗化层端面的面积，外延片靠p型粗化层和p型欧姆层的一侧通过透明导电胶层粘接在透明基板上，第一电极连接在n型欧姆层上，第二电极连接在透明导电胶层上，所述n型粗化层和p型粗化层的外表面经腐蚀液蚀刻成凹凸状。
2.根据权利要求1所述的一种新型结构的发光二极管，其特征在于：所述透明基板为石英基板或有机玻璃基板。
3.根据权利要求1所述的一种新型结构的发光二极管，其特征在于：所述n型欧姆层为GaAs构成，所述n型粗化层为(AlxGa1-x)0.5InP构成，所述n 型限制层为掺硅Si的AlInP构成，所述有源层为AlGaInP构成，所述p型限制层为掺碳C的AlInP构成，所述p型粗化层为GaP构成，所述p型欧姆层为GaInP构成。
4.根据权利要求1至3任一项所述的一种新型结构的发光二极管，其特征在于：所述p型欧姆层的外端面还镀有合金层，所述外延片沿中间蚀刻有隔离道，通过隔离道把外延片分成两部分，第一电极连接在外延片第一部分的n型欧姆层上，第二电极包覆外延片第二部分并与透明导电胶层相连接。
5.一种权利要求4所述新型结构的发光二极管的制造方法，其包括以下步骤：
步骤一、在一辅助基板上面依次生长过渡层、截止层、n型欧姆层、n型粗化层、n型限制层、有源层、p型限制层、p型粗化层、p型欧姆层，形成完整的外延片；
步骤二、在外延片的p型欧姆层端面的部分位置镀上合金层，然后用腐蚀液去除与合金层没有连接的多余p型欧姆层；
步骤三、用腐蚀液对p型粗化层外侧面进行粗化、蚀刻，使p型粗化层外侧面形成有规则凹凸状表面；
步骤四、将透面导电胶分别涂在透明基板上和外延片的p型粗化层的外侧面、p型欧姆层和合金层的外侧面，然后使外延片粘接在透明基板上；
步骤五、用机械研磨减薄辅助基板，然后用腐蚀液去除余下的辅助基板和过渡层；
步骤六、用腐蚀液去除截止层；
步骤七、在n型欧姆层端面的部分位置镀上合金形成第一电极，然后用腐蚀液去除与第一电极没有连接的多余n型欧姆层；
步骤八、用腐蚀液对n型粗化层外侧面进行粗化、蚀刻，使n型粗化层外侧面形成有规则凹凸状表面；
步骤九、清洗外延片，在外延片的中间通过ICP蚀刻出隔离道，通过隔离道把外延片分成两部分，第一电极留在外延片的第一部分上，然后在外延片的第二部分的外侧面镀上合金形成第二电极并使第二电极连通到透明导电胶上，完成整个器件的制作。
6.根据权利要求5所述新型结构的发光二极管的制造方法，
其中步骤一的辅助基板选用GaAs基板，所述n型欧姆层选用GaAs制作，所述n型粗化层选用(AlxGa1-x)0.5InP制作，所述n 型限制层选用掺硅Si的AlInP制作，所述有源层选用AlGaInP制作，所述p型限制层选用掺碳C的AlInP制作，所述p型粗化层选用GaP制作，所述p型欧姆层选用GaInP制作；
其中的步骤五用腐蚀液去除余下的辅助基板和过渡层的过程是将外延片浸入体积比为3 NH4OH: H2O2的溶液30min，使化学腐蚀停止在截止层上；
其中的步骤六用腐蚀液去除截止层的过程是将去除辅助基板和过渡层后的外延片浸入HCl溶液2min。
7.根据权利要求5所述新型结构的发光二极管的制造方法，
其中的步骤二在p型欧姆层端面的部分位置镀上合金层的过程是先在p型欧姆层端面上涂覆负性光刻胶2～4μm，然后曝光15 s、接着碱性显影液显影60s、高速旋干确定镀合金层的位置，然后利用电子束蒸发设备在p型欧姆层端面的确定位置上蒸镀上合金AuZn和Au形成合金层；用腐蚀液去除与合金层没有连接的多余p型欧姆层的过程是把外延片浸入丙酮溶液10～20min，清洗后浸入HCl溶液1min；
其中步骤七在n型欧姆层端面的部分位置镀上合金形成第一电极的过程是先在n型欧姆层端面上涂覆负性光刻胶2～4μm，然后曝光15 s、接着碱性显影液显影60s、高速旋干确定镀合金位置，然后利用电子束蒸发设备在n型欧姆层端面的确定位置上蒸镀合金AuGe、Ti和Au形成第一电极；用腐蚀液去除与第一电极没有连接的多余n型欧姆层的过程是将外延片浸入体积比2氨水：1双氧水的溶液中去除多余n型欧姆层。
8.根据权利要求5所述新型结构的发光二极管的制造方法，
其中的步骤三用腐蚀液对p型粗化层外侧面进行粗化、蚀刻的过程是把外延片浸入体积比为3HF:2HNO3的腐蚀液进行粗化、蚀刻，粗化、蚀刻的温度为15～30℃，粗化、蚀刻时间为2～5min，使p型粗化层外侧面形成有规则凹凸状表面；
其中步骤八用腐蚀液对n型粗化层外侧面进行粗化、蚀刻的过程是，把外延片浸入体积比为7H3PO4:2H2O2的腐蚀液进行粗化、蚀刻，粗化、蚀刻的温度为30～60℃，粗化、蚀刻的时间为3～6min，使n型粗化层外侧面形成有规则凹凸状表面。
9.根据权利要求5所述新型结构的发光二极管的制造方法，
其中的步骤四外延片与透明基板的粘接过程为先把外延片和透明基板浸入有机溶液超声清洗10min，然后采用旋涂的方式把透明导电胶分别涂覆在外延片和透明基板上，控制转速为2000～6000r/ min，涂胶的厚度为0.2～4μm，然后把涂有透明导电胶的外延片和透明基板放入烤箱在100℃温度下烘烤20～80min，最后使外延片和透明基板在压力为150～350MPa、温度为200～400℃的真空条件下进行粘合。
10.根据权利要求5所述新型结构的发光二极管的制造方法，
其中步骤九清洗外延片的过程是把外延片浸入ACE有机溶液超声清洗10min；在外延片的中间通过ICP蚀刻出隔离道过程是先通过涂光刻胶、曝光、显影、旋干确定蚀刻位置，然后放入ICP中蚀刻出隔离道把外延片分成两部分，第一电极留在外延片的第一部分上；形成第二电极的过程是利用电子束蒸发设备将合金Cr和Au蒸镀在外延片第二部分的外侧面上形成第二电极并使第二电极连通到透明导电胶上。
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